GE水煤漿氣化鎖斗順序控制及鎖渣閥選型

劉歡

(中國天辰化學工程公司，天津 300400)

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GE水煤漿氣化鎖斗順序控制及鎖渣閥選型

劉歡

(中國天辰化學工程公司，天津 300400)

稿件收到日期： 2015-03-12，修改稿收到日期： 2015-07-17。

德士古水煤漿加壓氣化生產工藝被大量采用，中煤陜西榆林榆橫煤化工項目一期氣化裝置采用美國GE專利激冷流程，在氣化爐內壓力約6．5MPa，溫度1350℃條件下，水煤漿和氧氣進行氧化還原反應，煤中部分未燃盡的碳和不可燃的灰分在高溫下形成熔渣經水冷卻和破渣機破碎，由鎖斗程序控制，定期排入、排出鎖斗。鎖斗程序是煤氣化環節關鍵的一部分。

鎖渣閥須經受高溫、高壓和灰渣的直接磨蝕，開關次數頻繁，因而鎖渣閥的選型非常重要。

1鎖斗順序控制

1．1鎖斗順序控制原理及要求

鎖斗收集并定期排放來自氣化爐激冷室底部的粗渣，渣的生成是連續的，而排出是間歇的。順序控制要遵循以下原則：

1) 排渣、集渣過程不能引起氣化爐內壓力及液位的波動和鎖斗壓力的波動。

2) 爐渣不得向系統外帶壓排放[1]。

3) 避免高壓串低壓，高壓系統和低壓系統應隔離。

1．2主要儀表和閥門

以中煤陜西榆林榆橫煤化工項目一期氣化裝置為例，鎖斗順序控制系統的儀表和閥門如圖1所示。

圖1　鎖斗順序控制系統結構示意

由圖1可知，鎖斗順序控制系統設備主要有鎖斗、鎖斗沖洗水罐、渣池、鎖斗循環泵等。鎖斗液位只需檢測高位報警，推薦使用射頻導納液位開關；鎖斗沖洗水罐屬敞口容器，液位測量可采用普通液位變送器；渣池液位可采用雷達液位計[2]。

1．3鎖斗順序控制主程序

鎖斗循環大致分為泄壓、沖洗、排渣、加壓、集渣五個階段，循環時間一般為30 min，可以根據具體情況進行設定。對于任何閥門(除渣池溢流閥KV110AB外)，如果驅動時間超過15 s，則報警，并且激活鎖斗停車系統；渣池溢流閥KV110AB的驅動時間超過25 s，則報警。

鎖斗循環具體步驟見表1所列。

表1　鎖斗循環控制步驟

續　表1

鎖斗順序控制計時器T0(60min)： 循環計時器；T1(15s)： 泄壓計時器；T2(15s)： 沖洗計時器；T3(300s)： 渣沉降計時器；T4(28s)： 排渣計時器；T5(15s)： 補水計時器；T6(180s)： 充壓計時器；T7(1 680s)： 收渣計時器。

在集渣步驟中，第一種受限于計時器，第二種可以人工干預集渣和排渣。在DCS畫面中分別設置了“排渣”和“集渣保持”、“集渣解除”按鈕，用于撈渣機故障等特殊工況的人工干預。

2鎖渣閥選型

2．1工藝對閥門的要求

介質為含固礦渣和灰分的高溫渣水，不僅對閥體，而且對閥門球體及閥座等動部件及密封面沖蝕和磨蝕更大，要求閥內件必須經過硬化處理，使其具有較高的耐磨性。

除了考慮硬化材質的硬度外，更重要的是硬化工藝，如： 厚度；與基材結合力度；在溫度驟變工況的硬度值及結合力；局部超大壓力因素；局部大顆粒因素。

由于集渣和排渣的周期為30 min，因而在正常生產中該閥的開關次數頻繁，由高壓到低壓、高溫到低溫的交替變化較大，需考慮完全滿足嚴酷工況的設計、制造和檢測工藝。

2．2固定球結構

鎖渣閥選用特殊制造的耐磨金屬密封球閥，采用固定球結構。除了考慮上游介質壓力作用在大尺寸球體上所產生的作用于下游閥座的應力以外，由于鎖渣閥為垂直安裝，需要同時考慮球體自重對閥桿的影響。作為固定球結構的鎖渣閥，大部分疊加應力會經軸樞及時消解于閥體及管線上，不會對閥桿造成過大的扭曲力，避免產生閥桿撓度、卡澀。

同時，由于固定球鎖渣閥的閥桿和閥球是緊密配合的剛性連結，因而沒有過多縫隙和空腔導致灰渣進入、異常磨損。鎖渣閥的執行機構建議做支撐。另外大口徑建議用三段式結構，三段式結構閥體比例均勻，運行穩定，適合45．72cm(18in)大尺寸閥。

2．3閥門材料選擇

要求法蘭和閥體整體鍛造無焊接[2]，閥體選用整體鍛造低溫脫氧碳鋼ASTMA350LF2，可以耐溫至-46℃。閥內件的熱膨脹系數與閥體相近，同時根據具體工況參數計算了相應特殊部件間的膨脹間隙，在此基礎上進行精密的機加工，有效避免了在高低溫和高低壓變化的情況下出現閥門抱死的現象。

2．4閥體流路襯雙相鋼耐磨襯套

閥體流路部分選用雙相鋼DUPLEX耐磨襯套， 機械加工后厚度約為1cm，遠厚于類似覆蓋焊接式設計。使用壽命長，襯套可更換，避免閥體永久性損傷。

2．5閥球及閥座密封特點

1) ARGUS 鎖渣閥為雙閥座、雙向金屬密封。

2) 閥座采用與閥球相同的硬化工藝，其硬度閥座最低達到63 HRC。閥球最低達到67 HRC，閥座后采用碟型合金彈簧助力，在確保密封性能的同時能避免彈簧前后聚集顆粒異物，同時也避免了柱狀彈簧由于腐蝕或進入顆粒而產生推力不均勻，使閥門發生泄漏。另外，蝶型彈簧的設計有效保證了閥腔超壓釋放。

3) 金屬閥座特殊刮刀設計。閥座采用特殊的刮刀環設計，閥門動作時，能刮擦沾粘在閥球上的顆粒介質，避免異物刮傷密封面，同時鋒利的邊緣可切斷結焦或結塊等體積較大的物料。閥座后部設計成尾翼式，使閥座后不會存留介質。閥座、閥球經過專用數控設備的配對研磨，除確保精密的密封面外，在閥球表面產生大于閥座面積的相應密封面，提高了密封面的使用壽命。

2．6閥桿的密封特點

閥桿為雙層密封設計，閥桿上下均有軸套，避免顆粒介質進入填料，彈簧加載閥桿密封填料盒，自動補償由于介質溫度壓力變化引起的閥桿密封比壓的變化，閥門滿足相關防火標準。閥桿采用防噴本質安全設計，并帶有防靜電環。

2．7Arguloy?硬化處理工藝

鎖渣閥閥內件采用Arguloy?硬化處理,其工藝： 先將基材(閥球或閥座)加熱到800～1300℃，將熔融的硬質材料(如金屬鉻離子等20余種金屬組分)通過等離子流載體高溫高速均勻噴打在閥球或閥座表面，使硬化組分離子與基材的金屬離子在高溫下重新排列和組合，重新形成一個牢固的金屬鍵，從而在基材表面形成一個緊密結合的過渡層，再通過高溫焊接熱熔處理，使硬質層與基材完全結合，并在其間形成一定厚度的過渡層。硬質涂層厚度不小于600μm，閥球的硬度最低可達到67 HRC，閥座的硬度最低可達63 HRC。

2．8Automax氣動執行機構的技術特點

對于長期使用及管線震動引起的閥位微小變化，可以通過調整執行器的螺栓進行微調，而無須將閥門和執行器解體，重新定位。這一點對于煤氣化使用的球閥尤其重要，如果由于位置傳導空程造成閥球小角度不能全部打開，則會在全通徑的流路里形成一個凸臺。帶有大量顆粒的介質會在此形成危害性極大的湍流，由此產生的強烈沖蝕和磨蝕會在極短的時間內將該處閥內件磨平，造成永久性損傷，不得不更換極其昂貴的閥球和閥座。

2．9執行機構設計

鎖渣閥執行機構是雙作用氣動執行裝置，一旦發生意外(如停電或停氣)，閥門應自動處于關閉狀態(FC)。因此，閥門自帶儲氣罐，儲氣罐應滿足閥門1次開關容量，但為了安全起見要加裕量，通常要求儲氣量具有滿足閥門2次的開關容量，并滿足閥門開關全行程時間小于10s，考慮熱膨脹和震動，安裝面板到氣缸選用軟性撓行管連接。

鎖渣球閥的扭矩值表現為兩端高中間低的曲線狀，開啟和關閉閥門時扭矩較大，而當閥門處于關閉狀態承受最大工作壓力開啟瞬間扭矩應為最大，所選氣動執行機構在氣源壓力為0．4MPa時的輸出力矩應為按下式計算數值的1．5倍以上。閥門扭矩計算公式如下：

MQG=MQG1+MQG2=π/4(DMW2-DMN2)

(1+cosα)×qMFfMR+πpfMR(DJH2-

0．5DMN2-0．5DMW2)×(1+cosα)/8cosα

(1)

MFT=FT·dF/2=ψ·dF·bT·p

(2)

MZC=(π/8)·DJH2·p·fZ·dQJ

(3)

式中：MQG—球體與閥座密封面間的摩擦扭矩，N·m;MQG1—閥座對球體預緊力產生的摩擦扭矩，N·m;MQG2—由介質工作壓力產生的摩擦扭矩，N·m;DMN—閥座密封面與球體接觸內徑，mm;qMF—密封面必須比壓，MPa;fM—球體與閥座密封面間的摩擦因數;R—球體半徑，mm;p—介質工作壓力，MPa;α—密封中線與通道軸線之間的夾角；ψ—系數，按hT/bT選取；MFT—閥桿最大扭矩，N·m;FT—閥桿與填料摩擦力，N;bT—填料寬度，mm;dF—閥桿直徑，mm；MZC—下軸軸承的摩擦扭矩，N·m;fZ—軸承摩擦因數；DJH—進口密封座導向外徑，mm；dQJ—軸頸，mm。

需要注意的是： 出鎖斗渣水切斷閥KV103要求不能動作太快，建議在5～10s，否則容易出現水錘效應，引起水擊，導致鎖斗沖洗水罐和鎖斗之間的管線震動以及鎖斗出口管線的震動。

3進口鎖渣閥在水煤漿加壓氣化裝置上的應用

國內引進的進口鎖渣閥品牌主要有4家： 芬蘭Neles公司、德國Perrin公司、美國Argus公司和美國Mogas公司。

3．1Neles公司鎖渣閥

上海焦化有限公司、兗礦國泰化工有限公司采用的Neles鎖渣閥質量較好，未出現大的問題，但長時間使用后，需修復被磨損的密封面。

由于煤中灰分占20%左右，灰熔融性溫度高，渣量大，黑水溫度高，淮化公司使用的Neles鎖渣閥，多次內漏，原因是閥承受過大反向壓力，波紋管彈簧損壞導致密封面關不嚴。針對該問題進行進一步的結構改進： 固定球、雙閥座；閥桿與閥球一體化設計、加工；硬密封，采用刮削式、面密封閥座結構，閥座采用環形彈簧加載；球體表面、閥座和彈簧表面噴焊，閥體和閥球內腔用420不銹鋼作內襯。

3．2Perrin公司鎖渣閥

Perrin鎖渣閥的結構特點： 單閥座、固定球，閥球、閥桿兩體式靠四方連接傳遞動力；硬密封，閥座采用若干個柱形彈簧(成一圈布置)加載；沖洗水設計為選項，Perrin公司建議閥門在每次開關過程中，都進行沖洗，可以達到最優的效果，但這會使鎖渣閥的配管復雜化，南化公司選擇了該選項；閥球可設計為V型切口，可使物料在球閥小開度時順暢地進入下游管道。2007年南化公司發現Perrin鎖渣閥閥桿有裂紋并有部分材料脫落，閥球、閥座局部被沖刷出豁口；南京惠生公司使用的鎖渣閥閥球、閥座硬質合金層脫落。

3．3Argus公司鎖渣閥

Argus鎖渣閥結構特點： 固定球、雙閥座，閥球、閥桿兩體式靠花式銷鍵連接傳遞動力；硬密封，閥座具有刮刀式邊緣結構設計，采用碟形彈簧或柱形彈簧加載；閥體兩側設有吹掃口。金陵石化在使用Argus鎖渣閥的過程中，出現過硬化層剝落現象。

3．4Mogas公司鎖渣閥

南化公司使用了Mogas公司提供的浮動球式鎖渣閥，閥球與閥桿為兩體式，下游閥座固定，上游閥座可移動，密封端為下游閥座，管道內介質的壓力(上、下游壓差)將球體推向下游閥座，使兩者緊密接觸，而上游閥座通過碟形彈簧與球體緊密接觸。自投用至2007年7月31日運行基本平穩，其主要缺點是所需工作轉矩大。浮動球閥的閥球、閥桿連接處，必須設計有一定間隙，長時間或頻繁動作后，存在間隙變大、打滑、滑脫的隱患，可能會使閥球不能開關到位。

4鎖渣閥的國產化

目前國內已有部分閥門廠家涉足了鎖渣閥的國產化工作。上海弘盛特種閥門有限公司在對進口鎖渣閥改進、維修的基礎上，形成了自有的國產化鎖渣閥。其主要特點： 具有獨特的閥座彈簧結構，采用高溫條件下強度高、耐腐蝕、抗氧化的InconelAlloyX-750合金材料制作成環形彈簧，外包耐高溫的氟橡膠，既避免了多個柱簧形式的受力變形不均勻現象，又克服了其他彈簧結構不可避免地被進入的灰渣卡死的問題。

5結束語

鎖斗系統是氣化單元非常重要的環節，無論是鎖斗程序控制，還是鎖渣閥的選型，都應高度重視，確保裝置安穩運行。

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艾默生推出新型蝶閥

艾默生過程管理推出Fisher 8590型高性能蝶閥，具有密封件、執行機構設計和材質組合等特點，從而滿足工廠級調節和關斷需求。

該蝶閥采用堅固耐用的閥體設計，適用于CL600磅級的應用范圍： NPS3～NPS24。采用花鍵軸連接，即適用于彈簧-薄膜式執行機構又適用于氣動活塞式執行機構;還可以提供方軸或鍵軸連接，適用于手柄、手輪或氣動活塞式執行機構。

該蝶閥的壓力輔助設計可以提供緊密關斷功能并使其適用于較小、成本較低的執行機構并全面滿足ASME B16.34 標準的關斷要求。

其提供的雙向關斷，意味著所需打開和關閉閥門的力矩恒定，不受通過蝶板的壓降影響。關斷時蝶板并未快速撞擊閥座，從而延長了密封件的使用壽命，避免了執行機構和管道損壞。

除了可以通過選擇高彈體和金屬材質的蝶板密封件實現關斷功能，還擁有可選的ENVIRO-SEAL? 填料系統結合閥門的超級光滑的軸表面可將泄漏控制在1×10-4以下。該蝶閥的另一個卓越特性是它可以適用于酸性液體和氣體，其閥芯和螺栓材質可以滿足NACE MR0175-2002，NACE MR0175-2002-2003，MR0103 和 MR0175/ISO 15156標準要求。

根據ASME B16.34中 CL600 磅級要求，閥門的面對面尺寸符合EN558，API609，MSS-SP68 和 ASME B16.10 的標準要求。閥體通過法蘭螺栓的連接實現快速、準確地與管線中心線對中安裝。(Emerson)

摘要：針對煤氣化裝置運行的特點及鎖斗順序控制系統的重要性和控制難點，結合工藝要求詳細介紹了鎖斗順序控制的原理及鎖斗循環的具體步驟。根據鎖渣閥開關次數頻繁，需耐高溫、高壓，灰渣的直接磨蝕嚴重等嚴酷工況，對鎖渣閥的設計選型進行了重點探討。論述了幾種進口鎖渣閥在水煤漿加壓氣化裝置上的應用，就各自存在的優、缺點進行了詳細介紹，對鎖渣閥的國產化工作提供了借鑒。

關鍵詞：排渣順控鎖渣閥設計選型

GE Coal Slurry Gasification Lock Hopper Sequence Control and Lock Hopper Valve SelectionLiu Huan

(China Tianchen Engineering Corporation， Tianjin， 300400， China)

Abstracts： Aiming at running characteristics of coal gasification installation and the importance and control difficulties of lock hopper sequence control system， principle of lock hopper sequence control and specific cycle steps are introduced in detail with combination of process requirements． Based on switch on-off frequency and severe working conditions of high temperature， high pressure and directash abrasion， design selection of lock hopper valve is emphasized． Application of several imported lock hopper valves in coal slurry gasification installation is discussed with introduction of advantages and disadvantages in detail for each type． It can be referenced for lock hopper vavle localization．

Key words：slag discharge; sequence; lock hopper valve; design selection

中圖分類號：TH137． 52+1

文獻標志碼：B

文章編號：1007-7324(2015)05-0027-05

作者簡介：劉歡(1982—)，女，現就職于中國天辰化學工程公司儀表電氣部，從事自控儀表工程設計工作，任工程師。